星の元素合成：星がすべての元素を作る方法
水素とヘリウムからの要素がどのように作成されるか
ロジャー・ハリス/科学写真ライブラリ/ゲッティイメージズ
恒星元素合成は、星の中で 陽子 と 中性子 より軽い元素の核から一緒に。宇宙のすべての原子は水素から始まりました。星の中での核融合は、水素をヘリウム、熱、放射線に変えます。より重い元素は、星が死ぬか爆発するときに、さまざまな種類の星で作成されます。
理論の歴史
星が軽元素の原子を融合させるという考えは、アインシュタインの強力な支持者であるアーサー・エディントンによって 1920 年代に最初に提案されました。しかし、それを首尾一貫した理論に発展させた本当の功績は、第二次世界大戦後のフレッド・ホイルの研究に与えられています。ホイルの理論には、現在の理論とはいくつかの重要な違いがありました。 ビッグバン理論 しかしその代わりに、その水素は私たちの宇宙の中で継続的に作られていました. (この代替理論は、 定常状態理論 宇宙マイクロ波背景放射が検出されたとき、支持を失った.)
初期の星
宇宙で最も単純なタイプの原子は水素原子で、原子核内に単一の陽子 (おそらくいくつかの中性子もぶら下がっている) を含み、電子がその原子核の周りを回っています。これらの陽子は、現在、信じられないほど高いエネルギーが発生したときに形成されたと考えられています。 クォークグルーオンプラズマ 非常に初期の宇宙の クォーク 一緒に結合して陽子を形成し始めました（および他の ハドロン 、中性子のように）。水素はほぼ瞬時に形成され、ヘリウム (2 つの陽子を含む原子核) でさえ比較的短い順序で形成されました (ビッグバン元素合成と呼ばれるプロセスの一部)。
この水素とヘリウムが初期の宇宙で形成され始めたため、他の領域よりも密度が高い領域がいくつかありました。重力が引き継ぎ、最終的にこれらの原子は引き寄せられて、広大な宇宙の巨大な雲ガスになりました。これらの雲が十分に大きくなると、原子核を実際に融合させるのに十分な力で重力によって引き寄せられます。 核融合 .この融合プロセスの結果、2 つの 1 陽子原子が 1 つの 2 陽子原子を形成します。言い換えると、2 つの水素原子が 1 つのヘリウム原子から始まっています。このプロセス中に放出されるエネルギーは、太陽 (または他の星) を燃やす原因となります。
水素が燃え尽きるのに 1000 万年近くかかり、その後、加熱されてヘリウムが融合し始めます。星の元素合成は、最終的に鉄になるまで、ますます重い元素を作り続けます。
より重い要素の作成
その後、ヘリウムを燃焼させて重い元素を生成する過程が約 100 万年続きます。大部分は、3 つのヘリウム 4 原子核 (アルファ粒子) が変換されるトリプル アルファ プロセスを介して炭素に融合されます。次に、アルファプロセスはヘリウムを炭素と結合してより重い元素を生成しますが、陽子の数が偶数の元素のみです。組み合わせは次の順序で行われます。
- 炭素とヘリウムが酸素を生成します。
- 酸素とヘリウムでネオンができます。
- ネオンとヘリウムはマグネシウムを生成します。
- マグネシウムとヘリウムからシリコンが生成されます。
- シリコンとヘリウムは硫黄を生成します。
- 硫黄とヘリウムからアルゴンが生成されます。
- アルゴンとヘリウムでカルシウムが生成されます。
- カルシウムにヘリウムを加えるとチタンが生成されます。
- チタンとヘリウムはクロムを生成します。
- クロムとヘリウムで鉄ができます。
他の融合経路は、奇数の陽子を持つ要素を作成します。鉄の原子核は非常に固く結ばれているため、その点に達するとそれ以上の核融合はありません。融解熱がなければ、星は崩壊し、衝撃波で爆発します。
物理学者のローレンス・クラウスは、炭素が燃えて酸素になるのに 10 万年、酸素が燃えてシリコンになるのに 1 万年かかり、シリコンが燃えて鉄になり、星の崩壊を告げるのに 1 日かかると述べています。
テレビシリーズ「コスモス」の天文学者カール・セーガンは、「私たちは星でできている」と述べています。クラウスは同意し、「あなたの体のすべての原子は、かつて爆発した星の中にあった...あなたの左手の原子は、おそらく右手とは異なる星から来た.2億個の星が爆発して原子を構成しているため.あなたの体で。